원적외선 레이저 방출 및 그들의 주파수의 측정을 특성화

본 실험 과정의 전반적인 목표는 원적외선 레이저 방사선을 생성하고, 3-레이저 헤테로다인 기술을 사용하여 생성된 레이저 방출의 주파수를 측정하는 것입니다. 이는 먼저 이산화탄소 레이저 방사선을 원적외선 레이저 공동(cavity)으로 보내는 방식으로 수행됩니다. 두 번째 단계에서는 두 레이저 공동의 작동 파라미터를 변화시켜 원적외선 레이저 방사선을 생성하고, 오실로스코프를 통해 검출된 방사선을 관찰합니다.

다음으로, 원적외선 복사선을 두 개의 기준 이산화탄소 레이저 주파수와 혼합합니다. 그런 다음 결과로 나타나는 맥놀이 주파수를 확인합니다. 마지막 단계는 여러 맥놀이 주파수를 측정하여 원적외선 레이저 주파수를 계산하는 것입니다.

결과적으로 본 연구에서는 3-레이저 헤테로다인 기술을 사용하여 Diora 메탄에 의해 생성된 8개의 원적외선 레이저 주파수를 측정하였습니다. 최초로, 이 방법의 결과는 레이저 발진 분자의 분광학적 특성에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다. 또한 이는 고분해능 분광학, 전파 천문학 및 테라헤르츠 이미징과 같이 정밀한 주파수가 요구되는 시스템에 적용될 수 있습니다.

이미징 적절한 보호 안경을 착용하여 잠재적으로 유해한 레이저 방사선 작업에 대비하십시오. 프로토콜의 이 단계에서는 이산화탄소 레이저와 연마된 구리 원적외선 레이저 공동을 사용합니다. 이 도식은 두 장치의 배치 방식을 보여줍니다.

이산화탄소 레이저는 희석된 메탄으로 채워진 원적외선 레이저 공동을 펌핑하게 됩니다. 본 실험에서 원적외선 레이저 출력은 금속-절연체-금속 점접촉 DDE 검출기로 검출합니다. 먼저 이산화탄소 레이저를 원하는 레이저 전이 상태인 9 R 28로 설정하여 작업을 시작하십시오.

레이저 출력단에 빔 스톱(beam stop)을 배치하십시오. 이제 레이저의 마이크로미터 다이얼을 회전시켜 빔 스톱에 도달하는 빔 강도를 최대화하십시오. 또한, 레이저 격자의 기울기를 조절하여 최대 강도를 구현하십시오.

이산화 탄소 레이저의 출력 전력이 최적화되어 보일 때까지 마이크로미터 DIO와 등급을 계속 조정하십시오. 완료되면 경로에서 빔 스톱을 제거하십시오. 그런 다음 펌프 레이저의 빔 경로에 광학 초퍼를 설치하고 정렬하십시오.

다음 단계입니다. 원적외선 레이저 공동(cavity)을 준비하려면, 디플루오로메탄(di fluoro methane) 실린더의 밸브를 열어 이를 공동 내부의 매질로 주입하십시오. 유입 라인의 계량 밸브를 조절하여 약 10 pascal 또는 75 milit tour의 압력이 되도록 맞춥니다.

공진기의 출력 결합 거울을 조정하는 단계로 넘어갑니다. 거울에 부착된 외부 로드를 사용하여, 보정된 눈금 기준으로 공진기 중앙에서 약 1cm 떨어진 곳에 거울 위치를 설정하십시오. 다음으로, 검출기의 출력이 오실로스코프에 연결되어 있는지 확인하십시오.

그 다음, 원적외선 공동(far infrared cavity)에서 원적외선 레이저 복사를 탐색할 준비를 합니다. 보정된 마이크로미터 다이얼을 사용하여 내부의 가동 레이저 거울을 조정하십시오. 이와 동시에 이산화탄소 레이저 압전 변환기(pizo electric transducer)에 인가되는 전압을 제어하여 레이저 주파수를 조정합니다.

레이저 방출이 확인되면, 오실로스코프 파형이 방출이 없는 상태의 평탄한 형태에서 사각파 형태로 변합니다. 원적외선 레이저 방출의 존재를 나타내는 이 신호 전력을 최적화한 후 다음 단계를 진행해야 합니다. 그런 다음 마이크로미터 다이얼에서 해당 공동 모드의 위치를 기록하십시오.

마이크로미터 다이얼을 시계 방향으로 돌려 다음 모드를 찾으십시오. 오실로스코프 트레이스가 평탄해지는 것을 관찰하십시오. 그런 다음 다른 사각파를 표시하십시오.

총 21개의 모드가 발견될 때까지 다이얼을 계속 시계 방향으로 회전시키십시오. 다이얼의 최종 위치를 기록하고 이를 이용하여 방출 파장을 확인하십시오. 원적외선 레이저 주파수를 결정하려면 두 개의 이산화탄소 기준 레이저를 사용하십시오.

이 도식은 두 개의 기준 레이저, 펌프 레이저 및 원적외선 공동을 포함한 전체 구성을 보여줍니다. 이 구성은 3-레이저 헤테로다인 기술을 위한 것이며, 두 기준 레이저는 주파수 차이가 측정된 파장에서 계산된 원적외선 주파수의 수 GHz 이내가 되도록 설정됩니다. 기준 레이저의 공선 경로에 빔 스톱을 배치하는 것으로 시작하십시오.

하나의 참조 레이저 출력물을 사용하여 파워 미터로 측정합니다. 파워 측정값을 관찰하면서 레이저의 마이크로미터를 천천히 이동시켜 최대 파워에 해당하는 위치로 설정합니다. 설정이 완료되면 육각 렌치를 사용하여 그레이팅의 기울기를 변경함으로써 미세 조정을 수행합니다.

출력 전력을 최적화하기 위해 두 과정을 반복하십시오. 각 기준 레이저의 출력 전력을 최적화한 후, 각 레이저의 아이리스를 조절하십시오. 각 레이저는 빔 경로에 있는 전력계에 약 100 milliwatts의 전력을 전달해야 합니다.

펌프 레이저의 빔을 차단하여 계속 진행합니다. 그런 다음 기준 레이저의 공용 경로에 있는 빔 스톱을 광학 초퍼로 교체합니다. 이제 오실로스코프 신호를 모니터링하면서 검출기에 집중되는 복사량을 최대화하도록 조정합니다.

기준 레이저로부터, 두 번째 기준 레이저를 차단하고 평볼록 렌즈를 사용하여 첫 번째 기준 레이저의 빔을 검출기에 집중시킵니다. 그 다음 첫 번째 기준 빔을 차단하고 두 번째 기준 빔의 차단을 해제합니다.

빔 스플리터를 조정하여 검출기에 도달하는 두 번째 기준 레이저의 신호를 최대화하십시오. 각 경우에 대해 오실로스코프를 관찰하며 정지시키십시오. 피크 신호가 최적화되면, 빔 스탑을 콜리네어 기준 레이저 경로로 되돌리십시오.

펌프 레이저에서 빔 스톱을 제거하십시오. 이제 오실로스코프를 통해 원적외선 방출의 출력 전력을 모니터링하십시오. 이 경우에는 이미 전력이 최적화된 상태입니다.

출력이 최적화되면, 금속-절연체-금속 다이오드 검출기를 오실로스코프에서 분리하십시오. 증폭기를 통해 검출기를 스펙트럼 분석기에 연결하십시오. 이때 펌프 및 참조 빔 경로에서 모든 빔 스톱과 광학 초퍼를 제거하십시오.

다음으로, 스펙트럼 분석기를 사용하여 비트 신호를 탐색하기 시작합니다. 분석기의 스팬(span)을 40 megahertz로 설정하고 1.5 gigahertz 간격으로 비트 신호를 찾습니다. 비트 신호가 발견되면 탐색을 중단합니다. 신호가 발견되면 기준 주파수를 안정화하기 시작합니다.

하나의 기준 레이저에 집중하여, 형광 기준 셀의 신호가 람 다입(lamb dip)의 중심에 오도록 압전 트랜스듀서에 0에서 900 V 사이의 전압을 인가합니다. 록인 증폭기를 활성화하여 신호를 람 다입의 중심에 유지하고, 동일한 단계를 두 번째 기준 레이저에 반복하여 비트 주파수를 측정합니다. 스펙트럼 분석기에서 비트 신호를 중심으로 맞추고, 디스플레이에서 신호 크기가 최대가 되도록 진폭을 조정합니다.

스펙트럼 분석기에서 특정 공동 모드에 대해 순간 신호는 파란색으로, 최대 신호는 노란색으로 동시에 표시되도록 설정하십시오. 원적외선 레이저 공동의 마이크로미터 다이얼을 앞뒤로 회전시킵니다. 스펙트럼 분석기에 나타나는 이득 곡선을 관찰하십시오.

대칭이 되면, 뷰(view) 기능을 사용하여 최대 신호의 트레이스를 고정하고 비트 주파수의 부호를 결정합니다. 마이크로미터 다이얼을 시계 방향으로 약간 회전시킬 때 비트 주파수 이동(shift)을 기록하십시오. 중심 주파수 비트 신호를 측정하려면, 최대치 트레이스에 의해 생성된 대칭 패턴의 반치폭(full width at half maximum) 지점에 마커를 배치하십시오.

그다음 스펙트럼 분석기의 스팬 페어(span pair) 기능을 사용하십시오. 다음은 이 프로토콜을 사용하여 원적외선 공동(cavity) 내에 이불화메탄을 넣고 처음으로 측정한 평균 원적외선 레이저 주파수입니다. 평균값은 최소 두 세트의 서로 다른 이산화탄소 기준 레이저 라인을 사용하여 수행한 최소 12회 측정 결과의 평균입니다.

강조 표시된 행은 새로 발견된 레이저 방출선에 해당합니다. 시스템 고유의 불확도 평가 및 이전에 보고된 주파수와의 비교 결과, 1시그마 상대 불확도는 1,000만 분의 5인 것으로 나타났습니다. 새로운 레이저 방출선은 제어 후 1/1000 mW에서 1/100 mW 범위의 출력을 갖는 것으로 관찰되었습니다.

이 기술을 사용하면 약 1~2시간 내에 강한 레이저 방출 빈도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 적외선 및 외부 적외선 레이저를 다루는 것은 매우 위험할 수 있으므로, 이 절차를 수행하는 동안 적절한 보안경 착용, 환기, 그리고 특히 전기 및 수분 위험에 중점을 둔 장비의 반복적인 점검을 포함한 예방 조치를 반드시 취해야 합니다.